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中型串联增压泵站的水锤分析及防护措施

文档作者：史仁朋文档来源：山东省枣庄市水利勘测设计院		点击数：	更新时间： 2021年10月15日
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设计施工水利规划与设计2016年第11期
DOI：10．3969／j．issn．1672—2469．2016．11．040
中型串联增压泵站的水锤分析及防护措施
史仁朋
(山东省枣庄市水利勘测设计院，山东枣庄277800)
摘要：滕州供水管线距离长、供水量大，中途需设增压泵站，设计采用了投资少、占地小、能耗省的管道串联增
压模式。本文针对中型串联增压泵站的特点，分不同工况对各泵站失电水锤进行了分析研究，提出相应的水锤防
护措施。
关键词：供水管网；串联泵站；水锤；分析；防护
中图分类号：TV67 文献标识码：B 文章编号：1672-2469(2016)ll-0127·04
枣庄市续建配套工程中的滕州供水单元工
程，其任务是实现南水北调东线一期工程干线
在滕州市的分配，解决干线分水与用户用水之
间的时空分配矛盾。滕州供水单元的设计引水
流量为2．455m3／s，引水量7000万m3／a，引水
时间330天，35天非引水期采用尚善水库调节
供水。
1工程设计
滕州供水单元利用新建暗渠自南四湖上级湖引
水，供水期内通过甘桥泵站(A站)、东满庄泵站
(B站)、邢庄泵站(c站)及干支管向用水户供水。
三座泵站位于干管的桩号分别为0+000、6+174
和16+534。泵站机组全部采用卧式双吸泵，总装
机1350KW。甘桥泵站自引水管道取水，需设进水
池，采用正向进水。东满庄及邢庄泵站为管道中
途加压泵站，整个系统采用树状管网密闭管道，
双管敷设，中间每隔一段距离设联通管。主管道
沿线设33处(66个)进排气阀，其中复合进排气
阀26处(52个)，弥合水锤预防阀7处(14个)。
泵站全部采用变频运行，进出水管均设压力传感
器、检修阀，站后出水管设二阶段液控止回阀。
供水支线共7条辐射32个工矿企业。管网布置及
设计指标见滕州供水单元管网树状图(330天)
图1。
2泵站水锤分析
泵站在运行中发生的最大安全隐患是水锤
破坏，发生水锤破坏的情况一般为事故停泵、
爆管及违规操作开停水泵及阀门等造成的，其
中事故停机时发生的水锤对管道系统的破坏最
为严重。因此必须对其工况下的管道水力过渡
过程进行分析研究，为水锤的防护提供技术
支撑。
2．1稳态计算
三座泵站及管路系统正常运行工况下的水力坡
降(稳态)计算成果见图2，图中黄线代表管道中心
线，蓝线代表压力水头线。
2．2瞬态计算
三级泵站串联加压供水，考虑每座泵站均有
失电的可能性。则计算工况分为A、B、C同时失
电、仅A失电、仅B失电、仅C失电、A和B同
时失电、A和C同时失电、B和C同时失电共7
种不利工况。对整个系统来说，每种工况发生时
都会在某一段或某一部位发生最大水锤。下面以
中间B站发生事故停电为例分析整个系统的水力
变化过程。
系统正常运行后，仅B站失电，A站和C站
继续运行。B站泵后二阶段液控止回阀60S关闭
(10s关闭80％，50S关闭100％)。整条干管的
水力变化见图3(红线一最高压力包络线；黑
线一正常压力线；蓝线一最低压力包络线；绿
线一管道中心线；黄线一水体汽化压力线，下
同)。
收稿日期：2015．06．18
作者简介：史仁朋(1978年一)，男，高级工程师。
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万方数据
2016年第11期水利规划与设计设计施工
图1滕州供水单元管网树状图(330天)
纵断
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图2干管稳态压力水头线
A～B管道压力升高，最高压力发生在B站之
前，最高压力达到606 KPa，出现的最低压力略低
于正常工作压力。这是由于B站失电关阀引起站前
压力升高，而A站继续运行又加剧了这一趋势。
B～c管道出现压力强烈的升高及降低，最高压
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力达到1424KPa，远高于管道工作压力；最低压强已
降至汽化压力以下，管道内大范围水体发生水柱拉
断。这是由于B站失电关阀导致泵后管道出现负压，
由于弥合水锤预防阀布置不合理，负压过后水柱弥
合又发生了较大的正压，多处发生弥合水锤。
万方数据
设计施工水利规划与设计2016年第11期
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图3东满庄泵站(B站)失电干管水头包络线
C站后的管道出现的最大压力与正常运行压力布局是复合阀23处(46个)，弥合阀10处(20个)。
基本一致，最小压力略低于正常运行压力。(2)液控阀关阀时间
其它6种工况也同样发生较大的正压及负压， 甘桥泵站关阀时间60s，10s—O％～80％，
产生较为严重的水锤破坏。主要原因是排气阀布置50s一80％～100％；东满庄泵站关阀时间60s，10s一
不合理，发生较大范围的水柱拉断，产生弥合水0％～80％，50s一80％～100％；邢庄泵站关阀时间
锤。三级串联加压泵站，中间不设进水池的供水系150s，10s—O％～80％，140s--80％～100％。
统又加剧了该系统水锤的复杂性。以上7种工况是(3)增设旁通管
按照已优化的关阀时间计算的，已在一定程度上了旁通管可设置在东满庄泵站和邢庄泵站两站泵
削减了水锤。房内部，在靠近检修间的一侧水泵管路上布设。旁
3 防护后瞬态分析计算霎尹气翥嚣嚣主管道水流方向一致。
3．1 防护措施仍然以仅东满庄泵站B失电为例，通过上述合
通常对泵站失电产生水锤采取的措施有以下四理的工程防护措施后，整条干管的水力变化见图
种：增大水泵的惯性矩、泵站后设置空气压力罐、4。从该图可以看出A～B最高工作压力低于正常
管道增设复合进排气阀及合理控制站后二阶段液控工作压力的1．5倍，满足《泵站设计规范》(GB
止回阀的关阀开度及时间等。泵站参数选定水泵转50265-2010)要求，最低压力略低于正常工作压力；
动惯量一般就确定了，很难增大。空气压力罐固然B～C最高工作压力略高于正常工作压力，最低压
是是消除水锤的良药，但造价较高，特别是容量大力高于水体汽化压力，大部分未出现负压；C之后
的罐造价更高。经分析试算，提出以下解决方案。最高工作压力与正常工作压力基本一致，最低压力
(1)优化排气阀布设高于水体汽化压力，大部分未出现负压。
在不改变排气阀总个数(33处66个)和位置不通过合理的工程措施，A～B最高工作压力低
变的前提下，重新优化排气阀和弥合阀的位置，适于正常工作压力的1．5倍，最低压力略低于正常工
当增减两种类型阀门的个数(总数不变)，调整后的作压力；B～C最高工作压力略高于正常工作压力，
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万方数据
2016年第11期水利规划与设计设计施工
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图4东满庄泵站IB站)失电干管水头包络线
最低压力高于水体汽化压力，大部分未出现负压；
C之后最高工作压力与正常工作压力基本一致，最
低压力高于水体汽化压力，大部分未出现负压。
4 结论
甘桥站、东满庄站和邢庄站采用管道串联增压
的方式供水，可节约运行能耗；不设调节池，节约
土地资源。但串联增压泵站上下游段水力条件相互
间受水锤的影响。本研究对管道串联增压泵站的水
锤进行了分析，分析了串联增压泵站的水锤特性，
并根据水锤分析结果提出防护措施，确保整个系统
00
供水安全。当前多级串联泵站建设在国内非常罕见，
但随着微机自动化程度的广泛应用必将全面推广。
参考文献
[1]GB 50265—2010．泵站设计规范[S]．
[2]CECSl93—2005．城镇供水长距离输水管(渠)道工程技术规程
[S]．
[3]李江，徐燕．高扬程泵站工程水锤防护计算研究[J]．水利规划
与设计，2014(11)．
[4]梁建军，何强，褚同伟．基于PIPE2008：Sure的超高扬程取水
工程停泵水锤模拟分析[J]．给水排水，2010(06)．
[5]林琦，刘志勇，刘梅清．长管道输水系统停泵水力过渡过程分
析与防护[J]．中国农村水利水电，2011(02)．
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(上接第119页)覆盖层厚达41．9m，为解决渗透稳
定问题和控制渗透量，采用混凝土防渗墙在砂卵砾
石覆盖层做垂直截渗，防渗墙下部基岩采用帷幕灌
浆进行渗流控制。由于混凝土坝刚度较大，且存在
沉降问题，而砂卵砾石地基中的混凝土防渗墙是相
对柔性的，如果两者间的连接处理不好就可能会造
成漏水或者防渗墙断裂漏水问题。无论何种漏水都
会危及大坝的安全。
实施中将砂卵砾石地基段防渗墙布置于坝轴线
上游20．9m处，混凝土坝与防渗墙之间设水平钢
筋混凝土防渗铺盖，防渗墙采用钢筋混凝土槽板
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式，防渗墙与防渗铺盖之间设有铜片止水和橡胶止
水，且在接缝顶部设一道sR防渗体系，防渗铺盖
与混凝土坝之间用铜片和橡胶两排止水连接。
3．3窑洞式厂房围岩稳定问题
主机间顶拱最大开挖跨度22．25m，边墙开挖
跨度17．1 m，衬砌后跨度16m，长42．03m。由于
工程处于Ⅷ度地震烈度区，厂房围岩稳定是个突
出问题。
施工图设计阶段对窑洞室厂房洞室群及尾水洞
洞周围岩稳定采用三维弹塑性损伤有限元程序进行
分析，并根据现场实测信息反馈修(下转第144页)
万方数据

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